DE2239027C3 - Magnetooptischer Faradaydreher - Google Patents

Description

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der ersten Ableitungen der Stromkoeffizienten nach der Temperatur auch die Summe

der zweiten Ableitungen gleich Null ist.

8. Faradaydreher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien Terbiumeisengranat, Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat vorgesehen sind.

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der Stromkoeffizienten der Faradaydrehungen in den einzelnen Materialien /ungleich Null ist und daß die Summe

20

der Temperaturkoeffizienten in dem interessierenden Temperaturbereich gleich Null ist, wobei φ, die Faradaydrehung im Material /bei der Stromstärke / und der Temperatur Tist

2. Faradaydreher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus zwei verschiedenen Materialien aufgebaut ist, deren Temperaturgang der spezifischen Faradaydrehung von unterschiedlichem Vorzeichen ist, und daß die Materialien jo in gleichgerichteten magnetischen Feldern angeordnet sind.

3. Faradaydreher nacb Ansp- \ich 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Spule vorgesehen ist

4. Faradaydreher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat vorgesehen sind.

5. Faradaydreher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus zwei verschie- -ίο denen Materialien besteht, deren Temperaturgang der spezifischen Faradaydrehung von gleichem Vorzeichen ist, und daß die Materialien in in verschiedenen Richtungen stromdurchflossenen Spulen angeordnet sind.

6. Faradaydreher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien Yttriumeisengranat und Terbiumeisengranat vorgesehen sind.

7. Faradaydreher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus wenigstens drei verschiedenen Materialien / besteht, wobei neben der Summe

Die Erfindung bezieht iich auf einen magnetooptischen Faradaydreher mn einem Körper aus magnetooptisch wirksamem Material, an den ein durch einen elektrischen Strom erzeugtes Magnetfeld anlegbar ist

Es ist bekannt, daß die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht beim Durchtritt durch magnetische Materialien gedreht wird. Bei vielen Anwendungen der magnetooptischen Faradaydrehung erweist es sich jedoch als Nachteil, daß die Faradaydrehung ! iagnetischer Materialien temperaturabhängig ist

Zur Vermeidung dieser Temperaturabhängigkeit wurde in der schweizerischen Patentschrift 5 21 600 vorgeschlagen, den Faradaydreher aus einem Gadolinium-Yttrium-Eisengrana; aufzubauen und das Gd-Y-Substitutionsverhältnis so zu wählen, daß der Temperaturkoeffizient der Faradaydrehung bei der vorgesehenen Betriebstemperatur verschwindet Solche gemischten Granatkristalle sind jedoch im Handel nicht erhältlich und schwieriger herzustellen als nichtsubstituierte Kristalle. Insbesondere erfordert jeder Temperaturbereich wieder eine andere Zusammensetzung, so daß auch nicht zu erwarten ist daß solche Mischkristalle einmal zu einem mit nichtsubstituierten Granaten vergleichbaren Preis zu haben sein werden.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen magnetooptischen Faradaydreher anzugeben, der aus einfachen Materialien besteht und so aufgebaut ist daß eine Temperaturabhängigkeit der Faradaydrehung in dem interessierenden Temperaturbereich weitgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe *ird durch einen magnetooptischen Faradaydreher gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist daß der Körper aus wenigstens zwei verschiedenen, vom Lichtstrahl nacheinander durchlaufenen Materialien aufgebaut ist, daß die Summe

Y N

der Stromkoeffizienten der Faradayiirehungen in den einzelnen Materialien / ungleich Null ist und daß die Summe

. PJdT

der Temperaturkoeffizienten in dem interessierenden Temperaturbereich gleich Null ist, wobei φ, die Faradaydrehung im Material /bei der Stromstärke /und der Temperatur Tilt.

Vorzugsweise besteht der Körper des magnetooptischen Faradaydrehers aus zwei magnetooptischen Materialien. Bei diesen Materialien handelt es sich vorzugsweise um Yttriumeisengranat und um Gadoliniumeisengranat.

Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen magnetooptischen Faradaydrehers ergibt sich daraus, daß insbesondere bei der Verwendung eines solchen Faradaydrehers als Meßwandler, beispielsweise zur Strommessung an Hochspannungsanlagen, die Temperaturabhängigkeit der Stromempfindlichkeit in einem vorgegebenen Bereich kompensiert werden kann.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren zu bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung und ihren Weiterbildungen hervor.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen magnetooptischen Faradaydreher, der aus zwei ver-

schiedenen Materialien besteht, deren Temperaturkoef- Temperatur fizienten unterschiedliche Vorzeichen besitzen;

F i g. 2 zeigt die Temperaturabhängigkeit der spezifi- t^?i ^?a

sehen Faradaydrehung von Yttriumeisengranat und dJdT dJBT

Gadoliniumeisengranat; ■>

Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung einen magnetooptischen Faradaydreher, der aus zwei verschiedenen Materialien besteht, deren Temperaturkoeffizienten gleiche Vorzeichen besitzen;

F i g. 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit der spezifisehen Faradaydrehung von Terbiumetsengranat, Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat;

F i g. 5 zeigt in schematischer Darstellung einen magnetooptischen Faradaydreher, der aus drei verschiedenen Materialien besteht

In der F i g. 1 sind die einzelnen Materialien, aus denen der magnetooptische Faradaydreher besteht mit den Bezugszeichen 1 und 2 versehen. Diese beiden Materialien sind wenigstens teilweise innerhalb der Spule 3 angeordnet Durch diese Spule, die beispielsweise von dem zu messenden Strom einer Hochspannungsanlage durchflossen wird, wird das für die Faradaydrehung notwendige Feld erzeugt. In den einzelnen Materialien 1 und 2 des magnetooptischen Fai adaydrehers wird die Polarisationsebene der von einem 2ϊ Polarisator ausgehenden linearpolarisierten Strahlung gedreht Der Einfachheit halber ist der Polarisator in der F i g. 1 nicht dargestellt Die Drehwinkel φ 1 und φ 2 in den Materialien 1 und 2 sind dabei zu jedem Zeitpunkt ein Maß für den Augenblickswert des die Spule 3 durchfließenden Stromes. Der den Faradaydreher verlassende Strahl ist mit 44 bezeichnet In einem in der Figur nicht dargestellten Analysator wird der gesamte Drehwinkel φ = φ 1 + φ 2 festgestellt

Die beiden magnetooptischen Materialien 1 und 2 3s sind so ausgewählt daß der Winkel immer ungleich 0 ist wenn der Strom ungleich 0 ist d. h. für die Summe der Stromkoeffizienten der Faradaydrehung muß

_ _n

40

!1 PJ

Φ 0

gilt Auf diese Weise kann für die angegebenen Materialien eine störende Abhängigkeit der Faradaydrehung von Temperaturschwankungen in einem Temperaturbereich von etwa Raumtemperatur bis + 80° C mit einer Genauigkeit von etwa 1% kompensiert werden.

Die oben angegebenen Materialien sind besonders gut geeignet wenn die Strahlung eine Lichtwellenlänge von etwa 1,2 bis 4,5 μπι besitzt In diesem Fall ist die Absorption innerhalb der Materialien gering. Sie entspricht etwa der Absorption von Glas im sichtbaren Spektrum. Die Faradaydrehung von Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat ist dagegen um etwa zwei Größenordnungen größer als jene von Flintglas.

Im sichtbaren Bereich etwa bei einer Wellenlänge von 0,53 μπι ist die Absorption vo.; FeBOj und FeF3 gering, so daß gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch diese Materialien Verwendung finden können.

In der Fig.3 sind die beiden magnetooptischen Materialien des Faradaydrehers mit 11 und 22 bezeichnet Dabei tritt bei einer Temperaturschwankung in beiden Materialien eine zusätzliche Faradaydrehung gleicher Richtung bezüglich des Magnetfeldes auf; die Temperaturkoeffizienten besitzen also dasselbe Vorzeichen, jedoch verschiedene Werte. Um eine solche zusätzliche Faradaydrehung kompensieren zu können, wenden die Materialien 11 bzw. 22 in Feldern entgegengesetzter Richtung angeordnet Aus diesem Grund wird die von dem zu messenden Strom durchflossene und dieses Feld erzeugende Spule in die beiden Spulen 5 und 55 unterteilt. Beide Spulen sind so miteinander verbunden, daß sie von dem zu messenden Strom in verschiedenen Richtungen durchflossen werden. Die Summe der Stromkoeffizienteii der Faradaydrehung muß dabei wieder von NuU verschieden sein,

gelten. Vorzugsweise besteht eines der Materialien, beispielsweise das Material 1, aus Yttriumeisengranat und das andere Material, beispielsweise das Material 2. aus Gadoliniumeisengranat In der F i g. 2 sind die Abhängigkeiten der spezifischen Faradaydrehung dieler Materialien von der Temperatur dargestellt. Diese Temperaturkoeffizienten in dem interessierenden Temperaturbereich besitzen verschiedene Werte, möglichst logar entgegengesetzte Vorzeichen. Bei einer Temperaturschwankung tritt also in dem Material 1 beispielsweise eine zusätzliche Drehung φτ\ der Polarisationsebene des Strahls 4 in Richtung des Uhrzeigersinnes auf, während dann in dem Material 2 bei der gleichen Temperaturänderung eine zusätzliche Drehung φτι der Polarisationsebene in entgegengesetzter Richtung auftritt. Durch die geeignete Bemessung der Länge der Wege, die die Strahlung in den einzelnen Materialien 1 und 2 zurücklegt, lassen sich die von Temperaturschwankungen herrührenden zusätzlichen Drehwinkel der Polarisationsebene so beeinflussen, daß ihre Summe

φτ= φτ\ + φτι = 0

ist. Dies ist der FaM, wenn für die Summe der Ableitungen der Stromfcoeffizienten δφ/dj nach der PJ PJ

45

50 wobei hier die verschiedenen Stromrichtungen zu berücksichtigen sind. Vorzugsweise bestehen die Faradaydreher 11 und 22 aus den Materialien Yttriumeisengranat und Terbiumeisengranat.

Für diese Materialien ist eine Kompensation der temperaturabhängigen Faradaydrehung in einem Bereich von -30° C bis +8O⁰C möglich. Die Länge der Wege, die die Strahlung 4 in den einzelnen Materialien zi'riJc'.legt, ist wiederum so 2U bemessen, daß die Summe der Ableitungen der Stromkoeffizienten nach der Temperatur verschwindet:

?J?T f ?J?T

60 Bei großen Temperaturbereichen oder wenn die zulässige Temperaturabhängigkeit besonders klein ist, kann die Krümmung

65

d² BT² _± dJ

der Temperaturabhängigkeit störend sein. Gemäß einer

vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, diesen störenden Einfluß durch die Kombination dreier Materialien mit entgegengesetzter oder wesentlich verschiedener Krümmung auszuschalten. Durch Auswahl geeigneter Materialien und geeigneter Durchstrahlungslängen ist es möglich, auf diese Weise zu erreichen, daß sowohl die erste Ableitung nach der Temperatur

P JPT PJrT ^ cJPT

als auch die zweite Ableitung

<^S'I _ ^71 . '""'72
rjr'f² ein² rJPT²

<"'li

PJPT

= 0

verschwindet. Als solche Materialien werden vorzugsweise Terbiumeisengranat, Yttriumeisengranat und Gadoliniumeisengranat vorgeschlagen.

In der Fig.4 ist die Abhängigkeit des Betrages der Sättigungs-Faradaydrehungen dieser Materialien von der Temperatur dargestellt.

Im folgenden wird ein Berechnungsbeispiel für einen wie oben beschriebenen Faradaydreher angegeben. In der Fig. 5 ist ein Faradaydreher. der aus den Materialien 111, 222 und 333 aufgebaut ist. dargestellt.

Die Materialien sind in der Spule 9 angeordnet. Für die Faradaydrehung in den einzelnen Materialien gilt:

Viii -=J-liu\.U\u +h_llt(T-T_n)+ Cu₁(T-T_n)²]

•1122 = J ■ /₂22Γ"222 + ^₂₂₂(T- T_n) + C₂₂₂(T-T_n)¹]

'im = J ' 'j.u[«.w + h.\n(T-T_n) +

in wobei a. b und c temperaturunabhängige Koeffizienten sind und 7b die mittlere Arbeitstemperatur ist. Für die Bemessung der Längen /in, /22? und /333 ergibt sich dann:

Ίΐΐ'Ίπ + Ii22^222 + hi Λ ''.1.1.1 = "

Ίιι'ιιι + '222Ο22 +

Daraus folgt, daß
'222 ".ι.ι.ι'Ίιι ~ "ι 11 Ci.i.i . '.1.1.1 _

Ί 1 1 ^222⁽'.1.1.1 ~ ''j-l.l'222 Ί I I

Wenn die Vorzeichen der Koeffizienten dreier gegebener Materialien sich nicht für eine Kompensation nach den obigen Gleichungen eignen, dann sind einzelne Materialien in entgegengesetzt gewickelten Spulen unterzubringen und die Vorzeichen in den oben angegedenen Gleichungen entsprechend zu verändern.

Hierzu 2 Blatt Zeichniineen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Magnetooptischer Faradaydreher mit einem Körper aus magnetooptisch wirksamem Material, an den ein durch einen elektrischen Strom erzeugtes Magnetfeld anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus wenigstens zwei verschiedenen, vom Lichtstrahl nacheinander durchlaufenen Materialien aufgebaut ist, daß die Summe